DE102013221582A1 - Electrochemical energy storage and method for controlling a cell module in an electrochemical energy storage - Google Patents

Electrochemical energy storage and method for controlling a cell module in an electrochemical energy storage Download PDF

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Abstract

Es werden ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Zellmoduls (1) in einem elektrochemischen Energiespeicher vorgeschlagen. Erfindungsgemäß erfolgt ein Ermitteln einer Klemmenspannung (UHV+, UHV-) des elektrochemischen Energiespeichers (3), ein Vergleichen der Klemmenspannung (UHV+, UHV-) mit einem Sollwert (USoll), ein Senden eines ersten Signals (S1) an das Zellmodul (1) zur Festlegung einer Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Schaltzustand zur Erreichung des Sollwertes (USoll), und ein Senden eines zweiten Signals (S2) an das Zellmodul (1), wobei das zweite Signal (S2) den bestimmten Schaltzustand des Zellmoduls (1) hinsichtlich einer Polarität bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers (3) kennzeichnet.An electrochemical energy store and a method for controlling a cell module (1) in an electrochemical energy store are proposed. According to the invention, a terminal voltage (UHV +, UHV-) of the electrochemical energy store (3) is determined, a comparison of the terminal voltage (UHV +, UHV-) with a desired value (USoll), a transmission of a first signal (S1) to the cell module (1). for determining a probability for a specific switching state for achieving the desired value (USoll), and for transmitting a second signal (S2) to the cell module (1), wherein the second signal (S2) determines the determined switching state of the cell module (1) with respect to one polarity with respect to the electrochemical energy store (3).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ansteuerung elektrochemischer Zellen bzw. Zellmodule in elektrochemischen Energiespeichern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen hinsichtlich der Ansteuerung von Zellmodulen zur Reduzierung von Schaltverlusten und Signalisierungsaufwand.The present invention relates to the control of electrochemical cells or cell modules in electrochemical energy stores. In particular, the present invention relates to improvements in the control of cell modules to reduce switching losses and signaling overhead.

Zur Realisierung unterschiedlicher elektrischer Spannungen mittels eines elektrochemischen Energiespeichers werden Zellen (allgemein „Zellmodule“) des elektrochemischen Energiespeichers zu Strängen verschaltet, welche eine Serienschaltung der Zellmodule darstellen. Über die Parallelschaltung solcher Stränge kann zudem der mögliche Abgabe- bzw. Aufnahmestrom erhöht werden. Eine bekannte Anordnung zur Verbindung mehrerer Zellmodule ist in 1 dargestellt. 1 zeigt die Topologie einer Elektronik zum Zuschalten, Überbrücken oder Zuschalten mit umgekehrter Polarität von Zellen 10 mittels einer Vollbrücke 2 (umfassend Transistoren T1, T2, T3, T4 sowie die Anschlüsse 21 und 22 zur Verbindung mit benachbarten Zellen (nicht dargestellt)) über einen Treiber 9 auf einem auf der Zelle integrierten Mikrocontroller 7. Der Mikrocontroller 7 erhält jedoch seine Signale von einer zentralen Steuereinheit 6. Die Steuereinheit 6 kann die Signale beispielsweise über einen Bus 8 und eine Potentialtrenneinrichtung 11 an den Mikrocontroller 7 senden. Die beschriebene Realisierung wird so auch heute für Zellmodule angewendet, hat aber bei Übertragung des Prinzips auf einzelne Zellen den Nachteil, dass der Adressierungs- und Kommunikationsaufwand erheblich ist. Dieser Nachteil soll durch die vorliegende Erfindung vermieden werden. To realize different electrical voltages by means of an electrochemical energy storage cells (generally "cell modules") of the electrochemical energy storage are connected to strings, which represent a series connection of the cell modules. In addition, the potential output or recording current can be increased via the parallel connection of such strings. A known arrangement for connecting a plurality of cell modules is in 1 shown. 1 shows the topology of an electronics for connecting, bridging or connecting with reverse polarity of cells 10 by means of a full bridge 2 (comprising transistors T1, T2, T3, T4 and the terminals 21 and 22 for connection to neighboring cells (not shown)) via a driver 9 on a cell-integrated microcontroller 7 , The microcontroller 7 however receives its signals from a central control unit 6 , The control unit 6 For example, the signals can be sent over a bus 8th and a potential separator 11 to the microcontroller 7 send. The described implementation is thus also applied today for cell modules, but has the disadvantage that the addressing and communication effort is considerable when transferring the principle to individual cells. This disadvantage is to be avoided by the present invention.

KR 2003-92464 offenbart eine Energieversorgung für eine Galvanisierungsanlage, bei welcher drei unterschiedliche Energiequellen in Abhängigkeit einer Größe eines Wafers ausgewählt werden können. KR 2003-92464 discloses a power supply for a galvanizing plant in which three different energy sources can be selected depending on a size of a wafer.

KR 2007-66293 offenbart ein Steuerverfahren für eine Klimaanlage. Zufallszahlen werden zur Ansteuerung der Ventilatoren generiert und mit einem Referenzwert verglichen. KR 2007-66293 discloses a control method for an air conditioner. Random numbers are generated to control the fans and compared with a reference value.

US 2005/053092 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Bandbreite eines Ethernetswitches. Eine Zufallszahl wird verwendet, um eine Bandbreitenbeschränkung eines bestimmten Ethernet-Switch-Ports zu realisieren. US 2005/053092 discloses an apparatus and method for controlling a bandwidth of an Ethernet switch. A random number is used to realize a bandwidth limit of a particular Ethernet switch port.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Zellmoduls, insbesondere mit einer Vollbrücke, in einem elektrochemischen Energiespeicher gelöst. Zunächst wird eine Klemmenspannung des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt. Anschließend wird die Klemmenspannung mit einem Sollwert verglichen. Der Sollwert kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Betriebszustandes durch eine Leistungsanforderung elektrischer Verbraucher, welche an den elektrochemischen Energiespeicher angeschlossen sind, bereitgestellt werden. Anschließend wird ein erstes Signal an ein erstes Zellmodul gesendet, um eine Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Schaltzustand zur Erreichung des Neuwertes festzulegen. Die Wahrscheinlichkeit kann beispielsweise durch eine Einzahlkennzeichnung an das Zellmodul übermittelt werden. Aufgrund der Wahrscheinlichkeit kann das Zellmodul beispielsweise eine Tastrate einstellen, mittels welcher die Sollspannung bzw. der Anteil des Zellmoduls an der Sollspannung realisiert werden kann. Zusätzlich wird ein zweites Signal an das Zellmodul gesendet, welches den bestimmten Schaltzustand des Zellmoduls hinsichtlich einer Polarität bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers kennzeichnet. Mit anderen Worten wird festgelegt, welcher Pol des Zellmoduls mit welchem Anschluss eines Stangs innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers verbunden werden soll. Dabei kann das zweite Signal beispielsweise über einen Bus an das Zellmodul gesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Signal im ersten Signal enthalten sein, in dem beispielsweise ein Flag oder ein Vorzeichen die erforderliche Polarität festlegt. Alternativ könnte die mittels des ersten Signals übertragene Wahrscheinlichkeit auch als "negative Wahrscheinlichkeit" verstanden werden, wobei das Vorzeichen der Wahrscheinlichkeit für eine vordefinierte Polarität steht. Das vorstehend genannte Verfahren reduziert Signalisierungsaufwand gegenüber herkömmlicher PWM(Pulsweitenmodulation)-Ansteuerung erheblich und vermindert zudem die Schaltverluste.The above object is achieved by a method for controlling a cell module, in particular with a full bridge, in an electrochemical energy storage. First, a terminal voltage of the electrochemical energy storage is determined. Subsequently, the terminal voltage is compared with a setpoint. The desired value can be provided, for example, as a function of an operating state by a power requirement of electrical consumers which are connected to the electrochemical energy store. Subsequently, a first signal is sent to a first cell module to determine a probability for a particular switching state to reach the new value. The probability can be transmitted to the cell module, for example, by means of a single-number identification. Because of the probability, the cell module can set, for example, a sampling rate by means of which the setpoint voltage or the proportion of the cell module at the setpoint voltage can be realized. In addition, a second signal is sent to the cell module, which characterizes the determined switching state of the cell module with respect to a polarity with respect to the electrochemical energy store. In other words, it is determined which pole of the cell module is to be connected to which terminal of a rod within the electrochemical energy store. In this case, the second signal can be sent, for example via a bus to the cell module. Alternatively or additionally, the second signal can be contained in the first signal, in which, for example, a flag or a sign defines the required polarity. Alternatively, the probability transmitted by the first signal could also be understood as a "negative probability", where the sign of the probability stands for a predefined polarity. The above method significantly reduces signaling overhead over conventional PWM (Pulse Width Modulation) control and also reduces switching losses.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Bevorzugt werden das erste Signal und das zweite Signal durch das Zellmodul empfangen und anschließend in Abhängigkeit beider Signale ein Schaltsignal zum Herstellen des bestimmten Schaltzustandes des Zellmoduls bereitgestellt. Dabei wird innerhalb des Zellmoduls das Schaltsignal aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal generiert, wodurch es unabhängig von einer zentral dem Zellmodul zugeordneten Wahrscheinlichkeit möglich wird, auf einen aktuellen Betriebszustand (Ladezustand, Gesundheitszustand o.Ä.) des Zellmoduls zu reagieren. Die Lebensdauer der im elektrischen Energiespeicher enthaltenen Zellmodule kann auf diese Weise verlängert und ihre Performance verbessert werden. Preferably, the first signal and the second signal are received by the cell module and then provided in response to both signals, a switching signal for producing the specific switching state of the cell module. In this case, within the cell module, the switching signal is generated from the first signal and the second signal, whereby it is possible independent of a centrally assigned to the cell module probability to a current operating state (state of charge, state of health or the like) of the cell module react. The life of the cell modules contained in the electrical energy storage can be extended in this way and their performance can be improved.

Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Zellkenngröße des Zellmoduls und alternativ oder zusätzlich ein Strommesswert für einen Strom durch das Zellmodul ermittelt werden. Ein Beispiel für eine Zellkenngröße ist ein Alterungszustand (SOH, "State of Health"). Ein weiteres Beispiel für eine Zellkenngröße ist der Ladezustand (SOC, "State of Charge"). Eine weitere bekannte Zellkenngröße ist die Zellspannung. Diese Zellkenngrößen können bei einer Bereitstellung des Schaltsignals zum Herstellen des bestimmten Schaltzustandes des Zellmoduls Berücksichtigung finden. Auf diese Weise werden Performance und Lebensdauer des Zellmoduls verbessert.It is further proposed that a cell characteristic of the cell module and, alternatively or in addition, a current measurement value for a current through the cell module are determined. An example of a cell characteristic is a state of health (SOH). Another example of a cell characteristic is the state of charge (SOC). Another known cell characteristic is the cell voltage. These cell characteristics can be taken into account when providing the switching signal for establishing the specific switching state of the cell module. This improves the performance and lifetime of the cell module.

Bevorzugt kann hierbei das Schaltsignal einen Schaltzustand des Zellmoduls definieren. Mit anderen Worten betätigt das Schaltsignal eine Schalteinrichtung, mittels welcher das Zellmodul in einer vorbestimmten Weise an einen Zellstrang innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeschlossen oder von diesem getrennt wird. Bei Vorliegen einer ersten Zellkenngröße kann beispielsweise während eines Entladevorgangs eine höhere mittlere Einschaltdauer durch das Schaltsignal realisiert werden. Bei einer zweiten Zellkenngröße kann während des gleichen Betriebszustandes eine geringere mittlere Einschaltdauer des Zellmoduls bewirkt werden. Auf diese Weise kann ein Zellmodul, welches aufgrund der zweiten Zellkenngröße als schwächer ermittelt worden ist, bei der Leistungsabgabe geschont werden. Dies erhöht die Performance sowie die Lebensdauer des Zellmoduls bzw. des elektrochemischen Energiespeichers.In this case, the switching signal may preferably define a switching state of the cell module. In other words, the switching signal actuates a switching device, by means of which the cell module is connected in a predetermined manner to a cell strand within the electrochemical energy store or separated from it. In the presence of a first cell characteristic, for example, during a discharge process, a higher average duty cycle can be realized by the switching signal. With a second cell characteristic, a lower average duty cycle of the cell module can be effected during the same operating state. In this way, a cell module, which has been determined to be weaker due to the second cell characteristic, can be spared in the power delivery. This increases the performance and the life of the cell module or the electrochemical energy storage.

Beim Verändern einer aktuellen Klemmenspannung und alternativ oder zusätzlich einer geänderten Sollspannung für den elektrochemischen Energiespeicher kann als Reaktion ein aktualisiertes erstes Signal sowie ein aktualisiertes zweites Signal an das Zellmodul gesendet werden, durch welche die Energieabgabe des Zellmoduls zur Anpassung an die geänderten Spannungen modifiziert werden. Indem lediglich im Ansprechen auf einen geänderten Belastungszustand des elektrochemischen Energiespeichers ein Signal bzw. ein zweites Signal an das Zellmodul gesendet werden muss, kann der Signalisierungsaufwand innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers gering gehalten werden.When changing a current terminal voltage and, alternatively or additionally, a modified setpoint voltage for the electrochemical energy store, an updated first signal and an updated second signal can be sent to the cell module as a reaction, by which the energy output of the cell module to adapt to the changed voltages are modified. By merely sending a signal or a second signal to the cell module in response to a changed load state of the electrochemical energy store, the signaling effort within the electrochemical energy store can be kept low.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemischer Energiespeicher vorgeschlagen, der eine erste Verarbeitungseinrichtung und ein erstes Zellmodul mit einer zweiten Verarbeitungseinrichtung und einer Vollbrücke aufweist. Die Verarbeitungseinrichtungen können beispielsweise als Prozessoren (z.B. Nanocontroller, Mikrocontroller) ausgeführt sein. Die Vollbrücke ist grundsätzlich im Stande der Technik bekannt und wurde in Verbindung mit 1 vorgestellt. Durch die Vollbrücke ist das Zellmodul im Stande, sich in einer beliebigen Polarität mit einem Strang innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers zu verbinden. Innerhalb des Strangs kann beispielsweise ein zweites Zellmodul vorgesehen sein. Dieses kann identisch zum ersten Zellmodul aufgebaut sein. Eine Spannungsermittlungseinrichtung ist eingerichtet, eine Klemmenspannung des elektrochemischen Energiespeichers zu ermitteln. Die Vollbrücke ist eingerichtet, das erste Zellmodul und das zweite Zellmodul im Ansprechen auf ein Schaltsignal der zweiten Verarbeitungseinrichtung elektrisch miteinander zu verbinden. Zusätzlich ist die erste Verarbeitungseinrichtung eingerichtet, die aktuelle Klemmenspannung des elektrochemischen Energiespeichers mit einem Sollwert zu vergleichen und ein korrespondierendes erstes Signal an die zweite Verarbeitungseinrichtung zu senden. Mittels des ersten Signals wird eine Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Schaltzustand der Vollbrücke festgelegt, um den Sollwert der Klemmenspannung zu erreichen. Die zweite Verarbeitungseinrichtung wiederum ist eingerichtet, ein zweites Signal an die Vollbrücke zu senden, wobei das zweite Signal den bestimmten Schaltzustand des Zellmoduls hinsichtlich einer Polarität bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers bzw. eines dem Zellmodul zugeordneten Stranges bestimmt. Die vorstehend vorgestellte Anordnung eines elektrochemischen Energiespeichers ermöglicht dieselben Vorteile, Merkmalskombinationen und Ausgestaltungen, wie sie in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführt worden sind. Insbesondere ist der elektrochemische Energiespeicher eingerichtet, ein Verfahren auszuführen, wie es oben im Detail beschrieben worden ist. Die Vorteile ergeben sich entsprechend denen, welche in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt worden sind.According to a second aspect of the present invention, an electrochemical energy store is proposed, which has a first processing device and a first cell module with a second processing device and a full bridge. The processing devices can be designed, for example, as processors (eg, nanocontrollers, microcontrollers). The full bridge is basically known in the art and has been associated with 1 presented. Due to the full bridge, the cell module is able to connect in any polarity to a strand within the electrochemical energy store. Within the strand, for example, a second cell module may be provided. This can be constructed identically to the first cell module. A voltage determination device is set up to determine a terminal voltage of the electrochemical energy store. The full bridge is configured to electrically connect the first cell module and the second cell module with each other in response to a switching signal of the second processing device. In addition, the first processing device is set up to compare the current terminal voltage of the electrochemical energy store with a desired value and to send a corresponding first signal to the second processing device. By means of the first signal, a probability for a specific switching state of the full bridge is set in order to achieve the nominal value of the terminal voltage. The second processing device in turn is set up to send a second signal to the full bridge, the second signal determining the determined switching state of the cell module with respect to a polarity with respect to the electrochemical energy store or a strand assigned to the cell module. The arrangement of an electrochemical energy store presented above allows the same advantages, combinations of features and embodiments as have been carried out in connection with the first aspect of the invention. In particular, the electrochemical energy store is adapted to carry out a method as has been described in detail above. The advantages arise in accordance with those which have been mentioned in connection with the method according to the invention.

Bevorzugt ist die erste Verarbeitungseinrichtung über einen Bus mit der zweiten Verarbeitungseinrichtung verbunden. Auf diese Weise können die beiden Verarbeitungseinrichtungen über den Bus Signale austauschen. Für die Übertragung des ersten Signals kann dabei ein erster Bus und für die Übertragung des zweiten Signals ein zweiter Bus vorgesehen sein. Alternativ kann eines der beiden Signale (alternativ auch beide Signale) über eine einfache Drahtleitung übermittelt werden. Wie in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführt, kann das zweite Signal (das Signal zur Festlegung der Polarität) in das erste Signal integriert sein, so dass das erste Signal und das zweite Signal informationstechnisch zusammenfallen. Die vorstehenden Anordnungen ermöglichen unterschiedliche vorteilhafte Signalisierungsinfrastrukturen zur Reduzierung des Hardware- und Signalisierungsaufwandes.The first processing device is preferably connected to the second processing device via a bus. In this way, the two processing devices can exchange signals via the bus. For the transmission of the first signal, a first bus may be provided and a second bus for the transmission of the second signal. Alternatively, one of the two signals (alternatively also both signals) can be transmitted via a simple wire line. As stated in connection with the first aspect of the invention, the second signal (the signal for determining the polarity) can be integrated in the first signal, so that the first signal and the second signal coincide in terms of information technology. The above arrangements allow different advantageous signaling infrastructures for Reduction of hardware and signaling overhead.

Dabei kann die zweite Verarbeitungseinrichtung einen Mikrocontroller umfassen, der in dem Zellmodul (zum Beispiel als Zellcontroller) integriert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Verarbeitungseinrichtung in einem Batteriemanagementmodul angeordnet sein, welches für die Überwachung und Steuerung des Bordnetzes des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vorgesehen und eingerichtet ist. Auf diese Weise kann bereits für andere Zwecke vorhandene Hardwareinfrastruktur auch zur Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.In this case, the second processing device may comprise a microcontroller which is integrated in the cell module (for example as a cell controller). Alternatively or additionally, the first processing device may be arranged in a battery management module, which is provided and set up for the monitoring and control of the electrical system of the electrically driven vehicle. In this way, already existing for other purposes hardware infrastructure can also be used to implement the present invention.

Sämtliche Ausführungen zu einem Zellmodul sind so zu verstehen, dass das Zellmodul eine einzelne elektrochemische Zelle umfasst oder mehrere, seriell oder parallel oder eine Kombination aus beiden zu einander geschaltete elektrochemische Zellen umfasst. Mit anderen Worten ist das Zellmodul als eine Untereinheit innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers zu verstehen, der erfindungsgemäß ein gewisses Maß an Selbstverwaltung und -diagnose bei der Entscheidung über einen von ihr abzugebenden oder aufzunehmenden Energieumsatz zugeordnet wird.All embodiments of a cell module are to be understood as meaning that the cell module comprises a single electrochemical cell or comprises several, serial or parallel or a combination of both electrochemical cells connected to one another. In other words, the cell module is to be understood as a subunit within the electrochemical energy store, which, according to the invention, is assigned a degree of self-administration and diagnosis when deciding on an energy turnover to be delivered or absorbed by it.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

1 ein Prinzipschaltbild eines an einen Kommunikationsbus angeschlossenen Zellmoduls; 1 a schematic diagram of a connected to a communication bus cell module;

2 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäß ausgestalteten Zellmoduls; 2 a schematic diagram of a inventively designed cell module;

3 eine schematische Ansicht zu Ein- und Ausgabegrößen bei der Realisierung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 3 a schematic view of input and output variables in the realization of an embodiment of the method according to the invention; and

4 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

2 zeigt eine erfindungsgemäß modifizierte Ausgestaltung der in Verbindung mit 1 eingangs vorgestellten Anordnung. Über einen Spannungssensor 5 als Spannungsermittlungseinrichtung sowie eine Referenzspannung USoll ermittelt ein Batteriemanagementsystem (BMS) 6 als erste Verarbeitungseinrichtung einen Regelbedarf für ein erstes Zellmodul 1 zur Herstellung einer gewünschten Klemmenspannung UHV+, UHV-. Über einen Bus 8 sendet das BMS 6 ein erstes Signal S1. Mittels dieses Signals S1 wird dem Zellmodul 1 ein Wahrscheinlichkeitswert mitgeteilt, anhand dessen ein Mikrocontroller 7 als zweite Verarbeitungseinrichtung ein Schaltsignal S3 generiert und über einen Treiber 9 der Vollbrücke 2 zuführt. Ein zweiter Bus 12 zwischen dem BMS 6 und der Potentialtrenneinrichtung 11 führt dem Mikrocontroller 7 einen Polaritätsindikator S2 als zweites Signal zu, mittels welchem eine Polarität des ersten Zellmoduls 1 gegenüber weiteren, innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers 3 vorgesehenen Zellmodulen (nicht dargestellt) mitgeteilt wird. 2 shows a modified embodiment of the invention in conjunction with 1 initially presented arrangement. Via a voltage sensor 5 as a voltage determination device and a reference voltage U set determined by a battery management system (BMS) 6 as a first processing device a rule requirement for a first cell module 1 for producing a desired terminal voltage U HV + , U HV- . About a bus 8th sends the BMS 6 a first signal S1. By means of this signal S1 is the cell module 1 communicated a probability value, by means of which a microcontroller 7 generated as a second processing means, a switching signal S3 and a driver 9 the full bridge 2 supplies. A second bus 12 between the BMS 6 and the potential separator 11 leads the microcontroller 7 a polarity indicator S2 as a second signal, by means of which a polarity of the first cell module 1 opposite further, within the electrochemical energy store 3 provided cell modules (not shown) is communicated.

3 zeigt ein Blockschaltbild zu Eingangs- und Ausgangsgrößen, welche einer Wichtungsfunktion innerhalb des Mikrocontrollers 7 (siehe 2) zugeführt werden. Die Wichtungsfunktion erhält ein Signal S1, mittels welchem dem Mikrocontroller 7 ein mit der Sollspannung des Zellmoduls 1 korrespondierender Wahrscheinlichkeitswert mitgeteilt wird. Ein Polaritätsindikator S2 teilt der Wichtungsfunktion mit, in welcher Richtung das Zellmodul 1 mit weiteren Zellmodulen des elektrochemischen Energiespeichers 3 verbunden werden soll. Zellparameter S4 als Zellkenngrößen werden berücksichtigt, um einen von dem Zellmodul 1 selbst ermittelten Zellzustand bei der Energieabgabe bzw. Energieaufnahme einfließen zu lassen. Zusätzlich wird ein Strom I durch den elektrochemischen Energiespeicher sowie das Zellmodul 1 der Wichtungsfunktion zugeführt, um beispielsweise eine Verlustleistung innerhalb des Zellmoduls 1 anhand eines Innenwiderstandes und zusätzlich eine Unterscheidung zwischen einem Ladevorgang und einem Entladevorgang in ein Schaltsignal S3 einfließen lassen und beim Schalten der Vollbrücke 2 berücksichtigen zu können. 3 shows a block diagram of input and output variables which a weighting function within the microcontroller 7 (please refer 2 ). The weighting function receives a signal S1, by means of which the microcontroller 7 one with the nominal voltage of the cell module 1 corresponding probability value is communicated. A polarity indicator S2 tells the weighting function in which direction the cell module 1 with further cell modules of the electrochemical energy store 3 to be connected. Cell parameters S4 as cell characteristics are taken into account by one of the cell module 1 self-determined cell state in the energy release or energy intake. In addition, a current I through the electrochemical energy storage and the cell module 1 supplied to the weighting function, for example, a power loss within the cell module 1 by means of an internal resistance and in addition a distinction between a charging process and a discharging process can be incorporated into a switching signal S3 and when switching the full bridge 2 to take into account.

Indem die Wichtungsfunktion innerhalb des Mikrocontrollers 7 mit den dargestellten Größen versorgt wird, entscheidet die Wichtungsfunktion jetzt nach einem Zufallsalgorithmus und anhand der Vorgabe einer Einschaltwahrscheinlichkeit, ob die Zelle mit der jeweiligen Polarität ein- oder ausgeschaltet werden soll. Damit wird die Zelle nicht mehr wie bei Vorgabe eines PWN-Signals kontinuierlich getaktet, um die gewünschte Spannung einzustellen, sondern den Zellen werden nur bei Vorgabe einer geänderten Einschaltwahrscheinlichkeit erneut ein erstes Signal S1 und ein zweites Signal S2 zugeführt, so dass im statistischen Mittel die gewünschte Spannung eingestellt wird. Aufgrund der Tatsache, dass die Zellen bzw. Zellmodule damit für längere Zeit ein- oder ausgeschaltet bleiben, werden die Schaltverluste im Vergleich zur PWM-Ansteuerung erheblich reduziert. Die in 3 dargestellte Wichtungsfunktion ermöglicht eine zellbasierte Modifikation einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit, welche vom Batteriemanagementsystem übermittelt worden ist. Auf diese Weise kann der Zellzustand (z.B. auf Basis von SOH, SOC, Innenwiderstand) bei der Ermittlung einer dem Schaltsignal zugrunde zu legenden Wahrscheinlichkeit berücksichtigt werden. Dies führt dazu, dass "starke" Zellen im Mittel einen großen Beitrag beim Entladen leisten und schwache Zellen im statistischen Mittel einen kleineren Beitrag leisten. Da beim Laden die schwachen bzw. entladenen Zellen mehr aufgeladen werden sollen, müssen diese Zellen dann entsprechend häufiger zugeschaltet werden. Aus diesem Grund wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Strom oder zumindest die Stromrichtung bei dieser Topologie über einen in der Zelle integrierten Sensor erfasst. Alternativ kann der Strom auch zentral erfasst werden und dessen Vorzeichen über eine weitere Leitung (oder eine zur Übermittlung des ersten Signals oder des zweiten Signals verwendete Leitung) an alle Zellen gemeinsam übermittelt werden.By having the weighting function inside the microcontroller 7 is supplied with the quantities shown, the weighting function now decides according to a random algorithm and based on the specification of a switch-on probability, whether the cell should be switched on or off with the respective polarity. Thus, the cell is no longer continuously clocked as in the specification of a PWN signal to set the desired voltage, but the cells are again supplied with a change in probability a first signal S1 and S2, a second signal S2, so that on a statistical average desired voltage is set. Due to the fact that the cells or cell modules thus remain switched on or off for a longer time, the switching losses are considerably reduced compared to the PWM control. In the 3 shown weighting function allows a cell-based modification of a given probability, which has been transmitted by the battery management system. In this way, the cell state (eg based on SOH, SOC, internal resistance) can be taken into account when determining a probability to be based on the switching signal. As a result, on average, "strong" cells make a major contribution to unloading and weak cells make a smaller contribution on a statistical average. Since charging the weak or discharged cells to be charged more, these cells must then be switched on more frequently. For this reason, in a particularly advantageous embodiment of the invention, the current or at least the current direction in this topology is detected via a sensor integrated in the cell. Alternatively, the current can also be detected centrally and its sign transmitted via a further line (or one used to transmit the first signal or the second signal line) to all cells together.

4 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Schritt 100 wird eine Klemmenspannung eines elektrochemischen Energiespeichers ermittelt. Anschließend wird in Schritt 200 die Klemmenspannung mit einem Sollwert verglichen. Der Sollwert kann beispielsweise durch einen Verbraucher bestimmt werden, welcher Energie aus dem elektrochemischen Energiespeicher zu beziehen beabsichtigt. Anschließend wird in Schritt 300 ein erstes Signal an das Zellmodul gesendet, mittels welchem eine Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Schaltzustand zur Erreichung des Sollwertes festgelegt wird. Das erste Signal kann beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt werden. In Schritt 400 wird ein zweites Signal an das Zellmodul gesendet, wobei das zweite Signal den bestimmten Schaltzustand des Zellmoduls hinsichtlich einer Polarität bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers kennzeichnet. Daher könnte das zweite Signal auch als Polaritätsindikator bezeichnet werden. In Schritt 500 werden das erste Signal und das zweite Signal durch das Zellmodul empfangen. Im Ansprechen darauf ermittelt in Schritt 600 das Zellmodul eine Zellkenngröße und einen Strommesswert für einen Strom durch das Zellmodul. In Schritt 700 wird anschließend ein Schaltsignal zum Herstellen des Schaltzustandes des Zellmoduls bereitgestellt. Mit anderen Worten wird ein Schalter in Abhängigkeit des ersten Signals und des zweiten Signals in Abhängigkeit der Zellkenngröße geschaltet. Anschließend wird in Schritt 800 eine geänderte Sollspannung des elektrochemischen Energiespeichers aufgrund einer geänderten Leistungsanfrage eines Verbrauchers erkannt. Im Ansprechen darauf werden in Schritt 900 ein aktualisiertes erstes Signal sowie ein aktualisiertes zweites Signal bereitgestellt und an das Zellmodul gesendet. Auf diese Weise wird mittels eines geringen Signalisierungsaufwandes eine Betriebszustands-gerechte Energieabgabe von Zellmodulen innerhalb eines elektrochemischen Energiespeichers ermöglicht. 4 shows steps of a method according to an embodiment of the present invention. In step 100 a terminal voltage of an electrochemical energy storage is determined. Subsequently, in step 200 compared the terminal voltage with a setpoint. The desired value can be determined, for example, by a consumer who intends to obtain energy from the electrochemical energy store. Subsequently, in step 300 a first signal is sent to the cell module, by means of which a probability for a specific switching state to achieve the desired value is determined. The first signal may be provided, for example, by a battery management system (BMS). In step 400 a second signal is sent to the cell module, wherein the second signal indicates the particular switching state of the cell module with respect to a polarity with respect to the electrochemical energy storage. Therefore, the second signal could also be called a polarity indicator. In step 500 the first signal and the second signal are received by the cell module. In response to this, determined in step 600 the cell module has a cell characteristic and a current reading for a current through the cell module. In step 700 Subsequently, a switching signal for establishing the switching state of the cell module is provided. In other words, a switch is switched depending on the first signal and the second signal depending on the cell characteristic. Subsequently, in step 800 detects a modified setpoint voltage of the electrochemical energy storage due to a changed power request of a consumer. In response to this, in step 900 provided an updated first signal and an updated second signal and sent to the cell module. In this way, by means of a low signaling effort, an operating state-compatible energy delivery of cell modules within an electrochemical energy store is made possible.

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Claims (10)

Verfahren zur Ansteuerung eines Zellmoduls (1) in einem elektrochemischen Energiespeicher (3) umfassend die Schritte: – Ermitteln (100) einer Klemmenspannung (UHV+, UHV-) des elektrochemischen Energiespeichers (3), – Vergleichen (200) der Klemmenspannung (UHV+, UHV-) mit einem Sollwert (USoll), – Senden (300) eines ersten Signals (S1) an das Zellmodul (1) zur Festlegung einer Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Schaltzustand zur Erreichung des Sollwertes (USoll), und – Senden (400) eines zweiten Signals (S2) an das Zellmodul (1), wobei das zweite Signal (S2) den bestimmten Schaltzustand des Zellmoduls (1) hinsichtlich einer Polarität bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers (3) kennzeichnet.Method for controlling a cell module ( 1 ) in an electrochemical energy store ( 3 ) comprising the steps of: - determining ( 100 ) a terminal voltage (U HV + , U HV- ) of the electrochemical energy store ( 3 ), - To compare ( 200 ) of the terminal voltage (U HV + , U HV- ) with a setpoint (U setpoint ), - send ( 300 ) of a first signal (S1) to the cell module ( 1 ) for determining a probability for a specific switching state for achieving the setpoint value (U setpoint ), and - transmitting ( 400 ) of a second signal (S2) to the cell module ( 1 ), wherein the second signal (S2) the particular switching state of the cell module ( 1 ) with respect to a polarity with respect to the electrochemical energy store ( 3 ). Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt – Empfangen (500) des ersten Signals (S1) und zweiten Signals (S2) durch das Zellmodul (1), und in Abhängigkeit des ersten Signals (S1) und des zweiten Signals (S2) – Bereitstellen (700) eines Schaltsignals (S3) zum Herstellen des Schaltzustandes des Zellmoduls (1).The method of claim 1, further comprising the step - receiving ( 500 ) of the first signal (S1) and the second signal (S2) by the cell module ( 1 ), and depending on the first signal (S1) and the second signal (S2) - providing ( 700 ) of a switching signal (S3) for establishing the switching state of the cell module ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend den Schritt – Ermitteln (600) einer Zellkenngröße (S4) des Zellmoduls (1) und/oder eines Strommesswertes (I) für einen Strom durch das Zellmodul (1), und in Abhängigkeit der Zellkenngröße (S4) und/oder des Strommesswertes (I) – Bereitstellen (700) eines Schaltsignals (S3) zum Herstellen des Schaltzustandes des Zellmoduls (1).Method according to claim 1 or 2, further comprising the step - determining ( 600 ) a cell characteristic (S4) of the cell module ( 1 ) and / or a current reading (I) for a current through the cell module ( 1 ), and depending on the cell characteristic (S4) and / or the current measurement (I) - providing ( 700 ) of a switching signal (S3) for establishing the switching state of the cell module ( 1 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Schaltsignal (S3) einen Schaltzustand des Zellmoduls (1) definiert, und das Schaltsignal (S3) im Ansprechen auf eine erste Zellkenngröße (S4) eine höhere mittlere Einschaltdauer während eines Entladevorgangs bewirkt als im Ansprechen auf eine zweite Zellkenngröße (4), wobei die erste Zellkenngröße (S4) einem leistungsfähigeren Zustand des Zellmoduls (1) zugeordnet ist. Method according to one of the preceding claims, wherein the switching signal (S3) a switching state of the cell module ( 1 ), and the switching signal (S3) in response to a first cell characteristic (S4) causes a higher average duty cycle during a discharging operation than in response to a second cell characteristic (S4) 4 ), wherein the first cell characteristic (S4) a more efficient state of the cell module ( 1 ) assigned. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt – Erkennen (800) einer geänderten Klemmenspannung (UHV+, UHV-) und/oder einer geänderten Sollspannung (USoll), und im Ansprechen darauf – Senden (900) eines aktualisierten ersten Signals (S1) sowie eines aktualisierten zweiten Signals (S2) an das Zellmodul (1).Method according to one of the preceding claims, further comprising the step - detecting ( 800 ) a changed terminal voltage (U HV + , U HV- ) and / or a changed setpoint voltage (U setpoint ), and in response thereto - sending ( 900 ) of an updated first signal (S1) and an updated second signal (S2) to the cell module ( 1 ). Elektrochemischer Energiespeicher umfassend – eine erste Verarbeitungseinrichtung (6), – ein erstes Zellmodul (1), mit – einer zweiten Verarbeitungseinrichtung (7) und – einer Vollbrücke (2), – ein zweites Zellmodul, und – eine Spannungsermittlungseinrichtung (5), – wobei die Spannungsermittlungseinrichtung (5) zum Ermitteln einer Klemmenspannung (UHV+, UHV-) des elektrochemischen Energiespeichers (3) eingerichtet ist, – die Vollbrücke (2) zum elektrischen Verbinden des ersten Zellmoduls (1) und des zweiten Zellmoduls im Ansprechen auf ein Schaltsignal (S3) der zweiten Verarbeitungseinrichtung (7) eingerichtet ist, – die erste Verarbeitungseinrichtung (6) zum Vergleichen der Klemmenspannung (UHV+, UHV-) mit einem Sollwert (USoll) und zum Senden eines korrespondierenden ersten Signals (S1) an die zweite Verarbeitungseinrichtung (7) zur Festlegung einer Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Schaltzustand der Vollbrücke (2) zur Erreichung des Sollwertes (USoll) eingerichtet ist, und – die zweite Verarbeitungseinrichtung (7) zum Senden eines zweiten Signals (S2) an die Vollbrücke (2) eingerichtet ist, wobei das zweite Signal (S2) den bestimmten Schaltzustand des Zellmoduls (1) hinsichtlich einer Polarität bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers (3) kennzeichnet.Electrochemical energy store comprising - a first processing device ( 6 ), - a first cell module ( 1 ), with a second processing device ( 7 ) and - a full bridge ( 2 ), - a second cell module, and - a voltage determination device ( 5 ), - wherein the voltage detection device ( 5 ) for determining a terminal voltage (U HV + , U HV- ) of the electrochemical energy store ( 3 ), - the full bridge ( 2 ) for electrically connecting the first cell module ( 1 ) and the second cell module in response to a switching signal (S3) of the second processing device ( 7 ), - the first processing device ( 6 ) for comparing the terminal voltage (U HV + , U HV- ) with a desired value (U desired ) and for sending a corresponding first signal (S1) to the second processing device ( 7 ) for determining a probability for a specific switching state of the full bridge ( 2 ) is set up to achieve the desired value (U Soll ), and - the second processing device ( 7 ) for sending a second signal (S2) to the full bridge ( 2 ), wherein the second signal (S2) determines the determined switching state of the cell module ( 1 ) with respect to a polarity with respect to the electrochemical energy store ( 3 ). Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 6, welcher eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.Electrochemical energy store according to claim 6, which is adapted to carry out a method according to one of claims 1 to 5. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Verarbeitungseinrichtung (6) über einen Bus (8) mit der zweiten Verarbeitungseinrichtung (7) verbunden ist.Electrochemical energy store according to claim 6 or 7, wherein the first processing device ( 6 ) via a bus ( 8th ) with the second processing device ( 7 ) connected is. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die zweite Verarbeitungseinrichtung (7) einen Mikrocontroller umfasst und/oder wobei die erste Verarbeitungseinrichtung (6) in einem Batteriemanagementmodul für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug angeordnet ist.Electrochemical energy store according to claim 6, 7 or 8, wherein the second processing device ( 7 ) comprises a microcontroller and / or wherein the first processing device ( 6 ) is arranged in a battery management module for an electrically driven vehicle. Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Zellmodul (1) nur eine einzelne Zelle (10) umfasst.Electrochemical energy store according to one of claims 6 to 9, wherein the cell module ( 1 ) only a single cell ( 10 ).
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